引言

在當(dāng)今的大數(shù)據(jù)時(shí)代，龐大的數(shù)據(jù)量要求下一代非易失性存儲(chǔ)器（NVM）技術(shù)具備存儲(chǔ)容量大和讀寫速度快等特點(diǎn)。電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）等新型NVM應(yīng)用而生，表現(xiàn)出了永久性存儲(chǔ)和讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，其中，憶阻器通過開關(guān)電阻狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)和輸出，而納米級(jí)尺寸使得其有可能用于高密度和大規(guī)模集成。

憶阻器作為一種應(yīng)用前景廣闊的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，可有效模擬突觸結(jié)構(gòu)，并啟用神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)，因此受到了廣泛關(guān)注。近年來，二維材料因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于憶阻器中，不僅提高了憶阻器的性能，而且還促進(jìn)了憶阻器在柔性電子、低功耗、高溫設(shè)備、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等方面的發(fā)展。

成果簡(jiǎn)介

近期，河北大學(xué)閆小兵教授和深圳大學(xué)張晗教授（共同通訊作者）等人基于二維材料憶阻器的快速發(fā)展，總結(jié)了二維材料在憶阻器中的應(yīng)用及其物理開關(guān)機(jī)制，并對(duì)其存在的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景進(jìn)行了討論。首先，作者對(duì)石墨烯及其衍生物、過渡金屬硫化物（TMDs），以及包括BN、黑磷、鈣鈦礦等在內(nèi)的其他二維材料基憶阻器的現(xiàn)狀進(jìn)行了討論。隨后，又總結(jié)并探討了憶阻器的三大物理開關(guān)機(jī)制。最后，對(duì)二維材料在憶阻器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并提出了未來的研究方向。該綜述以題為“Current Status and Prospects of Memristor d on Novel 2D Materials”發(fā)表在Materials Horizons上。

圖文導(dǎo)讀

圖1.  2D材料基憶阻器及其開關(guān)機(jī)制總覽圖

圖2.  Ag/GO/ITO器件的雙極開關(guān)特性

(a, b) Ag/GO/ITO器件的光學(xué)照片及I-V曲線；

(c) Ag/GO/ITO器件的I-V曲線，其中GO膜退火溫度為20℃，插圖為器件示意圖；

(d) 器件的保留特性曲線。

圖3.  石墨烯電極憶阻器的基本特性

(a, b) 轉(zhuǎn)移在玻璃基底上的MLG及組裝成器件后的光學(xué)圖片；

(c，d) 線性及非線性導(dǎo)通態(tài)MLG/TaOy/Ta2O5–x/MLG 器件的雙極RS特性曲線；

(e) 聚合物輔助剝離MoS2圖示及其I-V曲線；

圖4.  Ag/MoS2/Ag/MoS2/Ag 憶阻器的基本特性

(a-c) Ag/MoS2/Ag/MoS2/Ag 憶阻器圖示(a)及其室溫I-V曲線 (b)，(c) 為其對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的I-V曲線 ；

(d, e) MoOx/MoS2儲(chǔ)存器的基本I-V曲線 (d)，(e)為其電容和電阻部分；

(f) 不同TE材料憶阻器的I-V曲線；

(g) GMG器件的示意圖及橫截面圖示；

(h) 測(cè)量設(shè)備及對(duì)應(yīng)圖片；

(i) GMG器件的典型開關(guān)特性曲線；

(j) 1μm脈沖寬度下可獲得2×107的高耐久性；

(k, l) Vg=40 V下，憶阻器的原理圖及局部I-V曲線；

(m, n) 憶阻器的們可調(diào)性曲線及不同Vg二等分GB憶阻器的典型I-V曲線

圖5.  Pd/WS2/Pt 憶阻器件的基本特性

(a, b) 經(jīng)典的I-V特性曲線及與其他文獻(xiàn)中報(bào)道的操作電流的對(duì)比；

(c) 13 ns的開啟速度；

(d) 14 ns的關(guān)閉速度。

圖6.  MoTe2基憶阻器的基本特性

(a) MoTe2垂直器件圖示及光學(xué)、SEM圖像；

(b) 電鑄后Mo0.96W0.04Te2 RRAM器件的I-V曲線；

(c) Vset值與材料厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7.  BN基憶阻器的基本特性

(a, b) Ti/thin h-BN/Cu器件的結(jié)構(gòu)圖示及憶阻器的經(jīng)典I-V曲線；

(c, d) 單層h-BN交叉開關(guān)器件中雙極性和單極性開關(guān)響應(yīng)的I-V曲線；

(e, f) Au箔、Ni箔基單層h-BN器件的I-V曲線。

圖8.  鈣鈦礦基憶阻器的基本特性

(a) Ag CFs的形成與斷裂圖示；

(b, c) 光照下Ag/CH3NH3PbI3-xClx/FTO的I-V曲線及能級(jí)示意圖。

圖9.  GaSe基憶阻器的基本特性

(a, b) Ag/GaSe/Ag器件的I-V曲線及50次數(shù)據(jù)循環(huán)曲線；

(c) 圖 (a)中I-V曲線的擬合結(jié)果；

(d) Ag/GaSe金屬半導(dǎo)體結(jié)的能級(jí)圖。

圖10.  Ti/thin h-BN/Cu憶阻器的絲開關(guān)機(jī)制

(a) BN器件的I-V曲線表明其具有雙極RS；

(b, c) 該器件原始位置（LRS）和GB / CF位置的電子能量損失譜（EELS）橫截面分析。

圖11.  Ag TE/hBN/Cu憶阻器的物理開關(guān)機(jī)制

(a) 導(dǎo)電細(xì)絲的TEM圖像；

(b, c) 低電阻狀態(tài)下該器件的STEM圖像及EDS圖；

(d, e) 非完全接觸Cu 底電極時(shí)，導(dǎo)電細(xì)絲的TEM圖像及對(duì)應(yīng)的HRTEM圖像；

(f, g) Ag 導(dǎo)電細(xì)絲的HRTEM圖像，h-BN基器件的導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)原理圖。

圖12.  AZA器件的Ag物理開關(guān)機(jī)制

(a) I-V曲線的擬合結(jié)果

(b, c) AZA器件的TEM圖像和元素分布圖像；

圖13.  Ag/GaSe/Ag憶阻器的物理開關(guān)機(jī)制

(a) Vds=0的原始狀態(tài)；

(b) Ga空位導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)過程；

(c) 源漏極通過導(dǎo)電細(xì)絲導(dǎo)通；

(d) 導(dǎo)電細(xì)絲的斷裂過程。

圖14.  Ag/MoOx/MoS2/Ag憶阻器的物理開關(guān)機(jī)制

(a-c) MoOx/MoS2憶阻器示意圖，SEM圖像及XPS剖析圖；

(d) 表層Mo的氧化程度；

(e-g) EDS線掃剖析圖；

(h-j) GMG器件的物理開關(guān)機(jī)制原理圖。

圖15.  WS2基憶阻器的物理開關(guān)機(jī)制

(a, b) LRS中WS2納米片及薄膜的TEM圖像；

(c) 圖a和圖b對(duì)應(yīng)區(qū)域的W原子線剖析圖。

圖16.  Al/Ti3C2Tx/Pt憶阻器的物理開關(guān)機(jī)制

(a-d) LRS和HRS的擬合曲線及對(duì)應(yīng)的I-V曲線；

(e) Ti3C2Tx到TiO2的氧化；

(f-h) 白點(diǎn)區(qū)域有原子空穴，而黃點(diǎn)區(qū)域則沒有，圖g和h分別為其對(duì)應(yīng)的線剖析圖；

(i-o) Ti3C2Tx薄片在原始狀態(tài)和LRS下的XPS深度剖析圖；

(p) 在Ti3C2Tx薄片不同深度下HRS和LRS的氧含量曲線。

圖17.  W/MoS2/ p-Si憶阻器的物理開關(guān)機(jī)制

(a) 左圖為具有局部電位波動(dòng)的單層MoS2的能帶結(jié)構(gòu)，右圖為具有懸浮Si-O鍵的MoS2\SiO2界面；

(b) MoS2/ p-Si結(jié)的物理開關(guān)機(jī)制示意圖。

小結(jié)

本文總結(jié)了諸如石墨烯、TMDs、BN、黑磷、鈣鈦礦和GaSe等二維材料在憶阻器領(lǐng)域中的應(yīng)用，并分別對(duì)其二維系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了分析。基于2D材料的憶阻器具有多種物理切換機(jī)制，包括導(dǎo)電細(xì)絲、原子空位以及電子捕獲和脫離機(jī)制。此外，憶阻器的研究對(duì)類腦計(jì)算和人工智能有著重大的影響，基于2D材料的憶阻器在未來具有廣闊的發(fā)展前景。

原文鏈接：Current Status and Prospects of Memristor d on Novel 2D Materials (Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/C9MH02033K.)

團(tuán)隊(duì)介紹/通訊作者簡(jiǎn)介

閆小兵教授，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院副院長(zhǎng)、特聘教授、博士生導(dǎo)師。美國(guó)IEEE高級(jí)會(huì)員，河北省杰青、三三三人才二層次。長(zhǎng)期從事憶阻器相關(guān)研究。以第一和通信作者發(fā)表論文超過60余篇，包括Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz.等權(quán)威雜志。中國(guó)青年科技工作者理事，河北青年五四獎(jiǎng)?wù)芦@得者，河北青聯(lián)常委。先后獲得霍英東青年教師獎(jiǎng)、河北省青年科技獎(jiǎng)。

張晗教授，男，1984年出生，深圳大學(xué)特聘教授、深圳市黑磷工程實(shí)驗(yàn)室主任、博士生導(dǎo)師。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、基金委“優(yōu)青”、科睿唯安“高被引科學(xué)家（2018/2019）”、廣東省科技領(lǐng)軍人才等。長(zhǎng)期從事低維材料光電器件相關(guān)研究，以通訊作者發(fā)表中科院一區(qū)論文超過100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；論文總被引超過26000次，H因子為85。張晗教授擔(dān)任多個(gè)SCI期刊專題主編/編委、中國(guó)激光青年編委會(huì)秘書長(zhǎng)、全國(guó)光學(xué)青年學(xué)術(shù)論壇第二屆主席團(tuán)副主席。科研成果獲得教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展、廣東省丁穎科技獎(jiǎng)、深圳市青年科技獎(jiǎng)、深圳市自然科學(xué)獎(jiǎng)等。

本課題組招聘優(yōu)秀的博后和研究員，歡迎投遞簡(jiǎn)歷至506180626(at)163.com；947935449(at)qq.com。要求：光學(xué)、化學(xué)、生物等理工科方向，發(fā)表1-2篇SCI論文，35歲以內(nèi)；從事二維納米材料者優(yōu)先。

文獻(xiàn)推薦：

1. Self-Assembled Networked PbS Distribution Quantum Dots for Resistive Switching and Artifcial Synapse Performance Boost of Memristors. (Adv. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

2. Memristor with Ag-cluster-doped TiO2 films as artificial synapse for Neuroinspired computing. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

3. Graphene Oxide Quantum Dots d Memristors with Progressive Conduction Tuning for Artifcial Synaptic Learning. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201803728)

4. Designing carbon conductive filament memristor devices for memory and electronic synapse applications. (Mater. Horiz. DOI: 10.1039/C9MH01684H)

5. The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene for Clean Water Production. (Adv. Sci. DOI: 10.1002/advs.201902236)；

6. Noned Tellurium Nanosheets: Facile Liquid‐Phase Exfoliation, Characterization, and Photoresponse with High Performance and Enhanced Stability. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (16), 1705833–1705844. https://doi.org/10.1002/adfm.201705833

本文由  深海萬里  編譯整理。